余丹铭[1]2004年在《CSP封装功率循环模拟及焊点的寿命预测分析》文中研究表明在现代微电子封装结构所关注的可靠性问题中，焊点的完整性是一个主要的问题。功率的瞬间开关引起的温度波动，或者外部元器件通常经历的周围环境温度改变，结果导致由于热膨胀系数不匹配造成的焊接连接层塑性应变变形。相对于封装行业对热循环载荷作用下可靠性分析做的大量研究，而对功率循环载荷所做的研究就不多了。热循环模拟是在封装、焊球和PCB基板的任一节点上施加相同的温度载荷，忽略了整个封装体内温度梯度的存在。和热循环不同的是，功率循环更加真实的模拟芯片的实际发热机制：功率统一施加在圆晶上，通过功率的“开”来模拟封装体的升温过程，功率的“关”来模拟封装体的冷却过程。 本文对CSP封装形式在功率循环载荷条件下进行了研究。CSP功率循环的模拟方法具体分为两个阶段：瞬态热分析和热应力应变分析。热分析得到的温度场分布结果作为热应力应变分析的载荷。 本文采用基于单一内变量亦即形变阻抗的统一型粘塑性Anand本构方程，描述了63Sn37Pb钎料的粘塑性变形行为，采用非线性有限元方法分析63Sn37Pb钎料焊点在功率循环下的应力应变过程。采用基于以能量为基础的疲劳寿命预测公式预测焊点的失效循环数。对CSP模型作了寿命预测分析并和CSP简化模型作了比较分析。 本文通过使用ANSYS有限元分析软件来讨论分析方法和结论。
许杨剑[2]2004年在《球栅阵列尺寸封装的有限元法模拟及焊点的寿命预测分析》文中研究说明目前微电子球栅阵列尺寸封装(BGA／CSP)正成为高端IC封装的主流技术。而焊点可靠性问题是发展BGA／CSP技术需解决的关键问题之一。实践证明热作用是芯片封装组件失效破坏的主导因素，因此热循环条件下的焊点可靠性研究有着非常重要的意义。为此，本文基于大型商用有限元软件ANSYS，对BGA／CSP形式的封装进行模拟，并在此基础上对多种情况进行对比分析，以此来评价各种因素对其可靠性的影响，从而来提高该封装的可靠性。本文又在焊点本构模型的构建方面作了一个尝试，以此为能对焊球找到一种更好的描述奠定基础。 本文首先对芯片封装及其可靠性分析方法及现状进行了概述，并对相关理论方法作了介绍。随后，通过参数化编程建立典型结构的BGA／CSP形式封装的叁维模型，对此进行了应力、应变分析，并作了寿命预测。接着，又在上述分析的基础上，比较了同种封装的不同模型(如条形模型，1／4模型，1／8模型)、相同焊球材料的不同本构模型、不同寿命预测模型、不同焊球尺寸及网格密度等方面对寿命预测的影响。最后本文综合了两种典型的焊球本构方程构建了新的本构模型，再通过不同算法(如最小二乘法、遗传算法、试凑法)对焊球材料进行了曲线拟合，并对此作了比较分析。 本文针对相关问题，通过FORTRAN语言和ANSYS软件自带的程序设计语言(APDL)作了二次开发，编写了相关程序，从而能够更方便、更高效地利用ANSYS有限元软件来实现芯片封装的模拟分析。
王强, 梁利华, 许杨剑, 刘勇[3]2006年在《功率循环下CSP封装结构焊点的寿命预测分析》文中研究指明采用非线性有限元方法,分析了CSP封装形式的焊点在给定功率循环下的应力应变.单一内变量的统一粘塑性Anand本构方程,描述了63Sn37Pb焊料的粘塑性变形行为.考虑封装体内温度梯度的存在,更加真实地模拟芯片实际发热机制,采用间接法将CSP功率循环模拟方法具体分为瞬态热分析和热应力分析两个阶段.热分析得到的温度场分布结果作为热应力分析的载荷.通过基于以能量为基础的疲劳寿命预测公式预测焊点的失效循环数.对1/8 CSP模型作寿命预测,并和简化模型作比较分析.结果表明,两者焊球温度分布和等效应力基本一致,焊球失效循环数相差不超过5%.
李磊[4]2006年在《叁维迭层CSP/BGA封装的热分析与焊点可靠性分析》文中进行了进一步梳理叁维迭层芯片尺寸封装(Stacked Chip Scale Package)是目前最先进的微电子封装形式之一,具有体积小、重量轻、封装效率高等特点。然而封装的高密度使单位体积内容易产生更大的热量,因此必须关注热引起的封装失效问题。特别是由于封装材料间热膨胀系数不匹配而导致的焊点失效。另外机械振动与冲击也是引起封装失效的主要原因之一。目前行业内针对CSP封装可靠性做了许多研究,但大多是以单个芯片封装为研究对象,而对叁维迭层式CSP/BGA封装的可靠性研究的并不多。本论文正是针对以上情况,以采用引线键合工艺的叁维迭层CSP/BGA封装(裸芯片迭装)为研究对象,在有限元分析软件ANSYS中建立相关的有限元模型,编制了相应的APDL参数化分析程序,进行了温度场分析、热循环加载下的SnPb合金焊点疲劳分析和实装PCB板的振动模态分析。通过对仿真结果进行分析研究,总结出可能影响封装可靠性的一些因素与规律,目的在于为叁维迭层CSP/BGA封装设计提供一些参考依据。具体内容包括:1.建立一款迭层CSP/BGA封装的叁维实体有限元模型,求解自然对流条件下的稳态温度场分布,并在此基础上进行稳态热应力和热应变分析,找出由于温度梯度在封装内部引起的高热应力区域,分析其可能造成的失效结果。在求解温度场分布的基础上提取封装表面单元计算结果进行热平衡分析,比较封装各表面的热量发散比例。最后求出其特征稳态热阻θ_(JA)、ψ_(JT)和ψ_(JB)。2.以两种不同功率加载方式进行自然对流换热条件下的封装瞬态热分析,得出封装体温度随时间的变化规律。3.采用Anand统一型粘塑性本构模型对63Sn37Pb焊点钎料在热循环加载下的应力应变进行模拟。并采用基于能量的Darveaux焊点疲劳预测模型对焊点进行了疲劳寿命预测。随后就封装的几何尺寸包括:不同的焊点高度、焊点直径、焊盘直径、迭层封装芯片的尺寸、芯片层数以及塑封层厚度等对焊点疲劳寿命的影响进行了分析。4.对封装芯片实装于PCB板上后进行模态分析,研究其振动特性,包括固有频率和模态等参数。对芯片安装的位置对固有频率的影响进行了比较。最后使用基于局部应力的高周疲劳循环公式对不同加速度正弦激励下的焊点疲劳寿命进行预测。
姜承硕[5]2018年在《CSP封装LED倒装焊层可靠性研究》文中研究表明半导体发光二极管(Light Emitting Diodes,LEDs)作为第四代新型节能光源,具有高效节能、绿色环保和寿命长等突出优点,已经被广泛应用于室内外照明、汽车照明、背光等领域。LED器件的封装从最初的直插式封装,再到表贴式封装,以及最新的芯片级封装(Chip Scale Package,CSP),都是朝着小型化、集成化、高密度化的方向发展。在CSP封装中,倒装焊层作为关键部分,既要做机械支撑,又要传输电流,还要散热,也是容易出现可靠性问题的部位。虽然CSP倒装焊层可靠性在封装中非常重要,但目前国内针对CSP封装LED可靠性与寿命的研究较少。本论文是在863计划项目(编号2015AA033304)与国家科技重大专项(No:2017YFB0403100、2017YFB0403102)的支持下完成的,主要研究工作如下:1)在高温高湿条件下对CSP封装LED器件进行了3900小时的老化实验,并在老化的过程中对样品进行了剪切性能测试与热阻测试,通过剪切力实验发现高温高湿老化条件下倒装焊层的机械性能下降明显。2)对倒装焊层内的空洞问题进行了对比分析。首先采用X-Ray对倒装焊层的空洞大小与分布进行了测量,然后对比了不同空洞条件下倒装焊层的剪切性能,发现倒装焊层内空洞率的增加会导致剪切强度显着降低。3)使用仿真方法对焊层内空洞大小、空洞位置与空洞分布对LED器件的机械特性和热阻的影响进行了研究。结果表明空洞的大小、位置以及分布状态均会对焊层的可靠性造成影响,在相同的空洞率条件下,随着空洞率的增加,焊层受到的机械应力逐渐增大。当焊层内空洞越靠近芯片内侧时,空洞引起的热阻越高,并且随着空洞率的增加,倒装焊层的热阻也随之增加。4)对倒装焊层在温度冲击老化条件下的可靠性问题进行了研究,发现在温度冲击条件下,倒装焊层的最大冯米塞斯应力以及焊层的最大塑性应变能密度都是在倒装焊层最外侧上边角处,由此分析出此处是CSP倒装焊层最容易失效或最容易出现裂纹的地方。5)通过实验测得SAC305倒装焊层样品的失效速度并对Darveaux疲劳寿命模型寿命模型进行修正,使用有限元分析方法对温度冲击条件下焊层累计塑性应变能密度进行提取后带入Darveaux疲劳寿命模型对进行焊层寿命计算,最终得到CSP封装LED的Darveaux裂纹扩展相关常数以及倒装焊层的寿命。
马瑞[6]2018年在《CSP封装白光LED的电迁移可靠性研究》文中认为为满足电子产品小型化和高性能的发展要求,集成电路芯片的集成度和封装密度不断提高,进而导致微互连结构的电流密度急剧增加。近几年来,芯片级封装(Chip Scale Package,CSP)以其体积小、散热性好、可靠性高等优点脱颖而出。CSP技术可以使LED芯片面积与封装面积之比接近1:1,符合LED封装技术微小型化的发展需求,也是未来大功率LED封装技术发展的主流趋势之一。由于大功率LED器件往往工作在高温和高电流条件下,这使得CSP互连结构更容易发生电迁移现象。因此,研究CSP封装大功率LED器件的电迁移现象,并厘清其相关的可靠性问题,对于LED器件可靠性设计具有重要意义。对倒装芯片CSP-LED器件进行电迁移老化实验研究,研究电迁移特性与施加电流和环境温度的关系。电流条件为800 mA,环境温度为105℃、85℃和65℃激励水平下进行老化实验,得到焊点的特征失效时间分别为:5.33 h、22.75h和195.2 h。焊点电迁移寿命受环境温度的影响,温度越高,寿命越小。环境温度为85℃,电流条件为900 mA、800 mA和700 mA激励水平下进行老化实验,得到焊点的特征失效时间分别为:3.38 h、22.75 h和322.6 h。焊点电迁移寿命受电流密度影响比环境温度更敏感,电流越大,寿命越小。对失效样品进行了X射线检测,发现老化后LED样品焊点的空洞率增加,通过观察焊点空洞形成位置,发现焊点空洞在靠近芯片侧的焊点内侧形成并扩展。建立了倒装芯片CSP-LED器件的叁维有限元模型,并进行电-热耦合仿真分析,得到了焊点电流密度和温度分布结果,揭示温度梯度及电流梯度产生的原因,并对原子通量散度法进行APDL程序编写,结合有限元仿真模拟焊点空洞形成位置,预测焊点电迁移失效寿命。有限元分析结果表明,最大原子通量散度出现在靠近芯片侧的焊点内侧,并通过应用生/死单元技术模拟显示在该位置形成空洞,这与实验观察结果一致。另外,对比了实验结果和基于原子通量散度法的寿命预测结果,发现预测寿命与实验结果相差较小,可以为LED器件的电迁移失效分析和改善电迁移可靠性提供指导。
赵新新[7]2015年在《典型封装器件热应力分析及焊点疲劳寿命预测》文中研究表明微电子技术的飞速发展使得封装器件的热应力分析及焊点可靠性研究成为一个重要课题,目前器件级芯片的热应力分析与焊点的疲劳寿命预测主要通过理论计算、有限元仿真和热循环试验叁种方法来实现,而理论计算中模型简化过于理想误差较大,热循环试验成本高且费时,有限元仿真没有一款专用平台,大型通用软件操作繁琐且存在很大的功能浪费,基于上述现状本文以典型封装器件为对象来开展研究工作。基于典型封装器件,对热应力分析方法进行系统研究,阐述了适用于器件级芯片热应力分析的基础理论,总结有限元仿真模拟的分析流程,归纳了常用的试验方法,并针对具体插装DIP器件,分别了进行理论计算和有限元仿真模拟,进行结果对比。根据封装器件热循环载荷下结构仿真的基本流程,选择支撑软件ANSYS和开发软件Borland C++Builder编写了一套专用于典型封装器件热应力应变分析及焊点疲劳寿命预测的定制软件,大大简化了操作过程,并利用具体实例验证软件的可行性与有效性,在此基础上结合子模型高级分析技术,在保证得到精确结果的同时,大大节约了求解时间。针对富士通公司的BGA-320P-M06芯片,考察了其热可靠性影响因素,研究了热循环载荷参数、器件结构几何尺寸及焊点的钎料成份对器件焊点疲劳寿命的影响,并利用响应曲面法得到了器件焊点疲劳寿命与焊点高度、焊点直径、基板厚度及基板尺寸的回归方程,并进行回归模型验证,为器件的设计制造提供参考。
王树起[8]2007年在《迭层芯片封装可靠性分析与结构参数优化》文中研究表明随着电子封装微型化、多功能化的发展,叁维封装已成为封装技术的发展方向,迭层CSP封装具有封装密度高、信号延迟短、互连性能好等特性,是实现叁维封装的重要技术。目前,国外对迭层芯片封装技术研究比较成熟,已开发出八层芯片的层迭封装,但国内大多是以单个芯片封装为研究对象,对迭层CSP封装可靠性的研究却很少。本文采用ANSYS有限元分析方法模拟叁层芯片迭层封装工艺流程,分析封装失效机理,通过有限元法预测焊点热循环寿命,并在此基础上对迭层封装进行优化设计,以提高迭层封装可靠性。因此,本研究内容具有重要的理论意义和实际应用前景。本文首先根据封装固化工艺设计叁个叁维实体模型,通过ANSYS有限元软件模拟分析高温过程叁步主要固化工艺,结果表明,在叁步主要固化工艺中,最大应力都出现在最底层芯片连接处,底层芯片首先出现开裂和分层现象;比较上述叁步固化工艺对迭层CSP封装可靠性的影响,发现第二步固化工艺后,芯片所受应力最大,芯片开裂几率最高,分层现象最明显。基于统一性Anand本构方程,采用非线性有限元方法分析复合SnPb钎料焊点在热循环条件下的应力应变特性,模拟结果显示:高应力和应变区域集中在内侧焊点的角部,这些高应力区域将是裂纹萌生的可能位置。基于上述复合SnPb钎料焊点的应力应变分布的分析,以能量法进行热循环寿命评估,在热循环条件(-55℃～125℃)下,63Sn37Pb钎料焊点热疲劳寿命为685周左右;焊点钎料量相同时,随比值R/r减小,焊点热循环寿命增加,并且随焊点间隙增大,焊点热循环寿命变大。本文采用有限元方法分析SCSP器件的设计参数对封装热应力的影响。模拟结果表明:掺入一定量Cu、Bi或In等金属,无铅材料SnAg系列焊点的可靠性达到SnPb钎料的水平,可以代替含铅材料;芯片所受应力与芯片厚度成反比,底层芯片厚度变化是影响封装体可靠性的主要因素;随着芯片层数增大,芯片所受应力相应增大,当芯片层数超过四层后,随着层数的增加,底层芯片上应力趋于恒定值。
顾江海[9]2011年在《嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真》文中提出功率器件采用嵌入式封装,可以减小尺寸和成本、增加功能、提高性能。但是由于热膨胀系数不匹配,填充材料与芯片界面会产生一定量的热应力,由此产生芯片翘曲、开裂等问题,其可靠性问题成为阻碍其技术发展的重要原因。本文主要是针对功率器件的可靠性开展研究的,主要研究内容和取得的结论有：(1)引入静态子结构法,对封装集成工艺中的带状模型进行翘曲研究。基于ANSYSAPDL参数化建模与仿真,发现芯片、EMC(Epoxy Mould Component)厚度的变化对封装工艺中带状功率器件翘曲变形影响较大,Prepreg Ez和EMC的弹性模量E的变化对封装工艺中带状功率器件翘曲变形影响较小。在150℃～260℃、175℃～25℃两温度载荷分别作用下,芯片厚度由0.1mm增加到0.4mm时,翘曲度均下降了约66.93%；当EMC厚度由0.1mm增加到0.4mm时,150℃～260℃的温度载荷作用下的翘曲度提高大约4.56倍,175℃～25℃温度载荷作用下翘曲度提高大约4.54倍。取带状模型内部结果,发现封装体内部各结构与带状模型有相同的翘曲趋势。(2)进行功率器件嵌入式封装的热循环载荷下的焊点寿命预测研究。建立了单个的嵌入式封装叁维有限元结构,基于Anand模型对在-40℃～125℃、0℃～100℃的热循环载荷下焊点寿命进行了预测,结果发现右下侧角焊点最先失效,裂纹从PCB板侧产生。通过焊点高度参数化模拟发现随着焊点高度的增加焊点的热循环疲劳寿命快速增加,焊点高度增加1倍,其寿命大约可以提高50%。而在40℃～125℃的热循环作用下,焊点合理高度要达到0.2mm以上；在0℃～100℃的热循环作用下,焊点高度高于0.05mm即可。(3)应用Input-D方法,研究了功率器件嵌入式封装板级跌落试验过程的可靠性问题。根据JEDEC标准,建立功率器件嵌入式封装板级跌落试验叁维模型进行有限元模拟,结果表明应力波是从基板底部开始传播的,然后扩展到焊点后封装结构上。分析发现U1角焊点靠近PCB那一侧所受应力最大。通过参数化焊点高度,分析其对跌落冲击的影响,发现随着焊点高度的下降,其动态冲击下的跌落可靠性越高。
邵陈希[10]2016年在《电子器件传热特性研究及热疲劳分析》文中进行了进一步梳理随着电子封装技术发展,电子器件高度集成化使得性能大幅提升,同时也带来了热流密度急剧增加。统计结果表明,约55%的电子器件失效是由热载荷引起的,尤其在恶劣工作环境下,电子器件热失效直接影响了系统可靠性。焊点热疲劳是电子器件封装结构热失效的主导因素,但是,目前电子器件的热特性与热疲劳寿命之间的内在关系并不清晰,尤其是热循环载荷过程中流场、温度场、应力场之间耦合作用的研究还相对薄弱。为此,本文开展了热循环载荷下BGA封装体传热及热应力的模拟研究和电了器件热疲劳寿命影响因素分析。另外,开展了极地环境对固态硬盘传热特性影响的测试实验研究。为深入了解电子器件工作时元器件级元件的传热特性,本文构建了热循环条件下球栅阵列(BGA)封装体传热和应力耦合的非稳态理论模型,研究工作过程中流场、温度场、应力场的动态变化,并采用有限元方法进行数值求解,分析了热循环载荷对器件所处物理场的影响。在该模型中,采用器件自身发热功率随时间变化来实现循环热载荷。研究结果表明,热循环过程中,BGA封装体最高温点均位于作为热源的芯片上,承受应力最大点位于阵列最外拐点与上下侧材料的连接部位。为分析电子器件工作时的环境及功耗参数对电子器件热疲劳寿命的影响,基于BGA封装体数值模型计算结果,采用Darveaux能量方法预测BGA封装体焊点热疲劳寿命,分析了环境因素以及功耗参数对焊点热疲劳寿命的影响。研究结果表明,BGA封装体中寿命最短的关键焊点位于焊点阵列最外拐点处,其内部产生的断裂裂纹将出现在焊点与硅芯片接触的上表面部位。功耗上升、功率转换时间缩短、环境温度上升、环境气压下降都会导致BGA封装体中关键焊点热疲劳寿命缩短。其中,功耗和环境温度对关键焊点热疲劳寿命的影响明显,功率转换时间以及环境气压对关键焊点热疲劳寿命的影响相对较小。相同环境条件,功耗由20MW/m~3上升到1OOMW/m~3,寿命减小10730倍；相同功耗条件,环境温度由-20℃C上升到20℃C时,寿命减小107倍,环境气压由1bar下降到0.1bar,其寿命减小37.4%。针对电子器件在极地环境的特殊应用,本文设计并搭建了极地环境模拟系统,开展了固态硬盘工作过程中传热性能测试实验。实验中,硬盘的工作状态分为待机、读写,对硬盘在极地环境下传热行为进行测试并记录硬盘在待机、读写等工作状态下的温度动态变化。研究结果表明,硬盘主板在不同工作状态皆呈现温度不均匀现象。待机和读写状态硬盘主板最大温差分别为2。C和5℃。在极地环境(13℃,0.55bar)下,待机状态(硬盘功耗0.5W)芯片温升约为8℃,工作状态(硬盘功耗2W)芯片温升约为14℃C。在相同的环境空气温度条件下,当环境气压从0.95bar下降到0.15bar,待机状态下硬盘芯片处温升增加1.5℃,工作状态下硬盘芯片处温升增加2.5℃。
参考文献：
[1]. CSP封装功率循环模拟及焊点的寿命预测分析[D]. 余丹铭. 浙江工业大学. 2004
[2]. 球栅阵列尺寸封装的有限元法模拟及焊点的寿命预测分析[D]. 许杨剑. 浙江工业大学. 2004
[3]. 功率循环下CSP封装结构焊点的寿命预测分析[J]. 王强, 梁利华, 许杨剑, 刘勇. 浙江工业大学学报. 2006
[4]. 叁维迭层CSP/BGA封装的热分析与焊点可靠性分析[D]. 李磊. 电子科技大学. 2006
[5]. CSP封装LED倒装焊层可靠性研究[D]. 姜承硕. 北京工业大学. 2018
[6]. CSP封装白光LED的电迁移可靠性研究[D]. 马瑞. 北京工业大学. 2018
[7]. 典型封装器件热应力分析及焊点疲劳寿命预测[D]. 赵新新. 西安电子科技大学. 2015
[8]. 迭层芯片封装可靠性分析与结构参数优化[D]. 王树起. 哈尔滨理工大学. 2007
[9]. 嵌入式系统封装功率器件的可靠性建模与仿真[D]. 顾江海. 浙江工业大学. 2011
[10]. 电子器件传热特性研究及热疲劳分析[D]. 邵陈希. 东南大学. 2016
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